EP3341153B1 - Ablative production device and method for a periodic line structure on a workpiece - Google Patents
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Description
Eine Technik zur Herstellung von periodischen Strukturen mittels elektromagnetischer Strahlung wird beschrieben. Insbesondere sind, ohne darauf beschränkt zu sein, eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1 (siehe z.B.
Durch die Strukturierung von Oberflächen können Oberflächenbereiche visuell oder haptisch gekennzeichnet werden. Ferner können diffraktive Strukturen je nach Blickwinkel unterschiedlich gefärbt erscheinen oder einen Farbverlauf erzeugen. Neben dekorativen Zwecken können strukturierte Oberflächen auch schmutzabweisend sein, beispielsweise entnetzend.By structuring surfaces, surface areas can be marked visually or haptically. Furthermore, depending on the viewing angle, diffractive structures can appear differently colored or produce a color gradient. In addition to decorative purposes, structured surfaces can also be dirt-repellent, for example dewetting.
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Ferner ist aus der
Somit ist eine mögliche Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Technik zur effizienteren Herstellung von Mikrostrukturen bereitzustellen.Thus, one possible object of the present invention is to provide a technique for more efficiently fabricating microstructures.
Gemäß einem Aspekt ist eine Vorrichtung zur ablativen Herstellung einer periodischen Linienstruktur an einem Werkstück bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst einen gepulsten Laser zur Erzeugung ablativen Lichts; eine im Strahlengang des ablativen Lichts angeordnete Phasenmaske, die dazu ausgebildet ist, durch Interferenz eine Vielzahl äquidistanter paralleler Linien in einer Gegenstandsebene zu erzeugen und eine zur optischen Achse parallele Beugungsordnung zu unterdrücken, wobei die optische Achse senkrecht zur Gegenstandsebene ist; eine auf der optischen Achse angeordnete Abbildungsoptik mit einer parallel der Linien ausgerichteten Zylinderlinse, die dazu ausgebildet ist, die Gegenstandsebene in eine Bildebene abzubilden, wobei die Abbildungsoptik senkrecht zu den äquidistanten parallelen Linien verkleinert; und eine Halterung, die dazu ausgebildet ist, das Werkstück in der Bildebene anzuordnen.According to one aspect, a device for the ablative production of a periodic line structure on a workpiece is provided. The device includes a pulsed laser for generating ablative light; one in the beam path of the ablative A light-arranged phase mask adapted to generate, by interference, a plurality of equidistant parallel lines in an object plane and to suppress a diffraction order parallel to the optical axis, the optical axis being perpendicular to the object plane; an imaging optics arranged on the optical axis with a cylindrical lens aligned parallel to the lines, which is designed to image the object plane into an image plane, the imaging optics reducing perpendicularly to the equidistant parallel lines; and a fixture configured to locate the workpiece in the image plane.
Die abgebildeten äquidistanten parallelen Linien können die periodische Linienstruktur am Werkstück durch Ablation herstellen. Die periodische Linienstruktur am Werkstück kann lokal oder abschnittsweise periodisch sein. Die Herstellung kann Resultat mehrerer Pulse des ablativen Lichts sein. Beispielsweise kann die periodische Linienstruktur in einem zusammenhängenden Bereich oder in mehreren jeweils zusammenhängenden Bereichen am Werkstück hergestellt werden.The equidistant parallel lines shown can create the periodic line structure on the workpiece by ablation. The periodic line structure on the workpiece can be periodic locally or in sections. Fabrication can result from multiple pulses of ablative light. For example, the periodic line structure can be produced in a contiguous area or in a plurality of contiguous areas on the workpiece.
Die Bildebene kann senkrecht zur optischen Achse sein. Die Gegenstandsebene und die Bildebene können parallel sein.The image plane can be perpendicular to the optical axis. The object plane and the image plane can be parallel.
Eine Richtung der äquidistanten parallelen Linien definiert eine Längsrichtung. Die optische Achse und die Längsrichtung definieren eine Symmetrieebene. Eine Richtung senkrecht zur Symmetrieebene definiert eine Querrichtung.A direction of the equidistant parallel lines defines a longitudinal direction. The optical axis and the longitudinal direction define a plane of symmetry. A direction perpendicular to the plane of symmetry defines a transverse direction.
Strahlen können (z.B. für eine Ebene senkrecht zur optischen Achse) durch einen Winkel θ zwischen Strahl und optischer Achse (oder Symmetrieebene) beschrieben werden. Alternativ oder ergänzend können Strahlen (z.B. für eine Ebene senkrecht zur optischen Achse) durch einen Abstand s (z.B. in Querrichtung) zwischen Strahl und optischer Achse (oder Symmetrieebene) beschrieben werden.Rays can be described (e.g. for a plane perpendicular to the optical axis) by an angle θ between the ray and the optical axis (or plane of symmetry). Alternatively or in addition, rays (e.g. for a plane perpendicular to the optical axis) can be described by a distance s (e.g. in the transverse direction) between the ray and the optical axis (or plane of symmetry).
Die Phasenmaske kann das auf sie einfallende Licht des Lasers hinsichtlich seiner Phase in der Gegenstandsebene modulieren. Die Phasenmaske kann in Querrichtung dem einfallenden Licht einen Phasenversatz gemäß einem Rechteckprofil aufmodulieren. Die Phasenmaske kann in Längsrichtung (für jeweils jede Querrichtung) einen unveränderlichen Phasenversatz aufweisen.The phase mask can modulate the phase of the laser light incident on it in the object plane. In the transverse direction, the phase mask can modulate a phase shift according to a rectangular profile onto the incident light. The phase mask can have a constant phase offset in the longitudinal direction (for each transverse direction).
Die abgebildeten Linien können durch Interferenz erzeugt sein. Die abgebildeten Linien können in der Bildebene durch Interferenz zweier Strahlen (eine 2-Strahlinterferenz) erzeugt sein. Die Phasenmaske kann die zwei Strahlen erzeugen. Jeder der Strahlen kann jeweils einer Beugungsordnung entsprechen. Die (unterdrückte) zur optischen Achse parallele Beugungsordnung wird auch als "achsnahes" Licht bezeichnet. Beugungsordnungen, die nicht parallel zur optischen Achse sind, werden auch als "achsfernes" Licht bezeichnet.The lines shown can be generated by interference. The imaged lines can be generated in the image plane by interference of two beams (a 2-beam interference). The phase mask can create the two beams. Each of the beams can correspond to a diffraction order. The (suppressed) diffraction order parallel to the optical axis is also referred to as "near-axis" light. Orders of diffraction that are not parallel to the optical axis are also referred to as "off-axis" light.
Beispielsweise können die zwei interferierenden Strahlen (beispielsweise die von der Abbildungsoptik erfassten nicht-unterdrückten Beugungsordnungen) mindestens 75%, beispielsweise 80% bis 90%, des Lichts (z.B. hinsichtlich der gesamten Strahlungsleistung nach der Phasenmaske oder hinsichtlich der Laserleistung) umfassen. Alternativ oder ergänzend kann ein Anteil des achsnahen Lichts kleiner als 10%, kleiner als 5% oder kleiner als 1% sein (z.B. hinsichtlich der gesamten Strahlungsleistung nach der Phasenmaske oder hinsichtlich der Laserleistung). Die Phasenmaske kann ermöglichen, möglichst viel Lichtleistung im achsfernen Licht (in den Nutzordnungen) für eine effiziente Nutzung des ablativen Lichts bereitzustellen.For example, the two interfering beams (e.g. the non-suppressed diffraction orders detected by the imaging optics) can comprise at least 75%, e.g. 80% to 90%, of the light (e.g. in terms of total radiant power after the phase mask or in terms of laser power). Alternatively or additionally, a portion of the near-axis light can be less than 10%, less than 5% or less than 1% (e.g. with regard to the total radiation power after the phase mask or with regard to the laser power). The phase mask can make it possible to provide as much light output as possible in the off-axis light (in the useful orders) for efficient use of the ablative light.
Durch den geringen Anteil des achsnahen Lichts kann eine kontrastreiche Linienstruktur ermöglicht sein. Optional kann zwischen Phasenmaske und Abbildungsoptik, z.B. direkt an der Abbildungsoptik, eine Blende (oder ein Spiegel) zum Blockieren (bzw. zum Herausreflektieren aus dem Strahlengang) des achsnahen Lichts angeordnet sein. Die beiden Strahlen können zwischen Phasenmaske und Abbildungsoptik in einem Bereich vor der Abbildungsoptik nicht überlappen. Die Blende oder der Spiegel können in dem Bereich angeordnet sein.A high-contrast line structure can be made possible by the small proportion of the near-axis light. Optionally, a diaphragm (or a mirror) can be arranged between the phase mask and the imaging optics, e.g. directly on the imaging optics, to block (or reflect out of the beam path) the near-axis light. The two beams cannot overlap between the phase mask and the imaging optics in an area in front of the imaging optics. The aperture or the mirror can be arranged in the area.
Ein zumindest überwiegender Anteil des achsfernen Lichts kann ein Auflösungsvermögen der Abbildung erhöhen. Beispielsweise können feinere Linienstrukturen hergestellt werden. Alternativ oder ergänzend kann die Unterdrückung des achsnahen Lichts eine Schärfentiefe der Abbildung erhöhen. Die Schärfentiefe kann 50 µm bis 250 µm, beispielsweise 100 µm sein. Alternativ oder ergänzend kann die Unterdrückung des achsnahen Lichts und/oder das Überwiegen des achsfernen Lichts den Einfluss einer geometrischen (z.B. zylindrischen oder sphärischen) Aberration der Zylinderlinse auf die Abbildung der äquidistanten Linien verringern oder verhindern.An at least predominant portion of the off-axis light can increase the resolution of the image. For example, finer line structures can be produced. Alternatively or additionally, the suppression of the near-axis light can increase a depth of focus of the image. The depth of focus can be 50 µm to 250 µm, for example 100 µm. Alternatively or additionally, the suppression of the near-axis light and/or the predominance of the off-axis light can reduce or prevent the influence of a geometric (e.g. cylindrical or spherical) aberration of the cylinder lens on the imaging of the equidistant lines.
Die Gegenstandsebene kann im Wesentlichen einer Ebene der Phasenmaske entsprechen und/oder in einem Talbot-Bereich der Phasenmaske liegen.The object plane can essentially correspond to a plane of the phase mask and/or lie in a Talbot region of the phase mask.
Die Abbildungsoptik kann die Vielzahl äquidistanter paralleler Linien in die Bildebene abbilden. Die Abbildungsoptik kann zur verkleinernden Abbildung ausgebildet sein. Die Abbildung kann dazu ausgebildet sein, Abstände in der Querrichtung zu verkleinern. Ein Abstand der abgebildeten Linien in der Bildebene kann kleiner sein als der Abstand der äquidistanten Linien in der Gegenstandsebene.The imaging optics can image the large number of equidistant parallel lines in the image plane. The imaging optics can be designed for reduced imaging. The mapping can be designed to reduce distances in the transverse direction. A distance between the imaged lines in the image plane can be smaller than the distance between the equidistant lines in the object plane.
Die Abbildungsoptik kann weitere optische Elemente (beispielsweise Linsen) umfassen. Beispielsweise kann die Abbildungsoptik ein Dublett zweier Zylinderlinsen mit entsprechend kombinierter Brechkraft umfassen.The imaging optics can include further optical elements (e.g. lenses). For example, the imaging optics can comprise a doublet of two cylindrical lenses with a correspondingly combined refractive power.
Die Phasenmaske kann Lichteffizient sein. Die Phasenmaske kann einen Transmissionsgrad von mindestens 75%, beispielsweise 80% bis 90%, ausweisen. Die Lichtausbeute der Phasenmaske kann erheblich höher sein als die Lichtausbeute eines Beugungsgitters, beispielsweise ein Mehrfaches. Ferner kann der Einsatz der Phasenmaske das achsnahe Licht durch Interferenz unterdrücken, ohne ein Hauptmaximum zu blockieren oder zu absorbieren. Der hohe Transmissionsgrad kann einer Erwärmung oder Alterung der Phasenmaske entgegenwirken.The phase mask can be light efficient. The phase mask can have a transmittance of at least 75%, for example 80% to 90%. The light output of the phase mask can be considerably higher than the light output of a diffraction grating, for example several times. Furthermore, the use of the phase mask can suppress the near-axis light by interference without blocking or absorbing a main peak. The high transmittance can counteract heating or aging of the phase mask.
Der Laser und/oder die Phasenmaske können dazu ausgebildet sein, die Vielzahl äquidistanter Linien in der Gegenstandsebene über eine Weite X zu erzeugen. Die von der Phasenmaske ausgehenden (z.B. die zumindest im Wesentlichen nicht-unterdrückten) Beugungsordnungen können in der Abbildungsoptik über die gesamte Weite X von der optischen Achse beabstandet sein. Beispielsweise können die von der Abbildungsoptik erfassten (z.B. die zumindest im Wesentlichen nicht-unterdrückten) Beugungsordnungen um mehr als die Weite X von der optischen Achse beabstandet sein.The laser and/or the phase mask can be designed to generate the plurality of equidistant lines in the object plane over a width X. The (e.g. the at least substantially non-suppressed) diffraction orders emanating from the phase mask can be spaced from the optical axis over the entire width X in the imaging optics. For example, the (e.g. the at least substantially non-suppressed) diffraction orders detected by the imaging optics can be spaced apart from the optical axis by more than the distance X.
Der Laser und/oder die Phasenmaske können dazu ausgebildet sein, die Vielzahl äquidistanter Linien in der Gegenstandsebene über eine erste Weite zu erzeugen. Die Beugungsordnungen können in der Abbildungsoptik über eine mit der ersten Weite korrespondierende zweite Weite von der optischen Achse beabstandet sein. Die erste Weite kann sich quer zur optischen Achse in der Gegenstandsebene erstrecken.The laser and/or the phase mask can be designed to generate the plurality of equidistant lines in the object plane over a first width. In the imaging optics, the orders of diffraction can be spaced apart from the optical axis by a second distance that corresponds to the first distance. The first width can extend transversely to the optical axis in the object plane.
Die zweite Weite kann sich quer zur optischen Achse am Ort der Abbildungsoptik erstrecken, beispielsweise in einer Abbildungsebene oder Hauptebene der Abbildungsoptik. Die zweite Weite kann (z.B. bei einem im Wesentlichen kollimierten Strahl des ablativen Lichts) im Wesentlichen gleich der ersten Weite sein. Die zweite Weite kann (z.B. bei einem divergenten Strahl des ablativen Lichts) durch Strahldivergenz im Vergleich zur ersten Weite vergrößert sein. Die Korrespondenz der zweiten Weite mit der ersten Weite kann in einer Proportionalität der Weiten bestehen. Der Proportionalitätsfaktor kann gleich 1 oder größer als 1 sein.The second width can extend transversely to the optical axis at the location of the imaging optics, for example in an imaging plane or main plane of the imaging optics. The second width may (eg, with a substantially collimated beam of ablative light) be substantially the same as the first width. The second Width may be increased (eg, in the case of a divergent beam of the ablative light) due to beam divergence compared to the first width. The correspondence of the second width with the first width can consist in a proportionality of the widths. The proportionality factor can be equal to or greater than 1.
Das Licht des Lasers kann zur Ablation ausgebildet sein. Das Licht kann dazu ausgebildet sein, eine lokalisierte Abtragung oder Veränderung von Material durch hohe Hitzeeinwirkung und/oder Plasmabildung zu verursachen. Das ablative Licht kann dazu ausgebildet sein, in der Bildebene eine Ablation an dem in der Halterung aufgenommenen Werkstücks zu bewirken. Eine Oberfläche oder eine Schnittebene des Werkstücks kann mittels der Halterung in der Bildebene angeordnet sein.The laser light can be designed for ablation. The light may be configured to cause localized ablation or alteration of material through exposure to high heat and/or plasma formation. The ablative light may be configured to ablate the workpiece held in the fixture in the image plane. A surface or a cutting plane of the workpiece can be arranged in the image plane by means of the holder.
Das Werkstück kann Glas umfassen und/oder ein Glaskörper sein. Die Oberfläche kann eine Glasoberfläche sein. Das Glas kann ein Silikat-Glas sein.The workpiece can include glass and/or be a glass body. The surface can be a glass surface. The glass can be a silicate glass.
Die ablative Wirkung des Lichts kann durch dessen Wellenlänge, Pulsdauer, Pulsrate (oder Repetitionsrate), Pulsenergie, Strahlungsleistung, Fluenz und/oder Intensität bestimmt sein. Die Strahlungsleistung kann die Pulsleistung betreffen. Die Pulsleistung kann das Verhältnis von Pulsenergie und Pulsdauer sein. Die Fluenz kann die Pulsenergie pro wirksamer Fläche sein. Die Intensität kann die Pulsleistung pro wirksamer Fläche sein.The ablative effect of the light can be determined by its wavelength, pulse duration, pulse rate (or repetition rate), pulse energy, radiant power, fluence and/or intensity. The radiant power can affect the pulse power. The pulse power can be the ratio of pulse energy and pulse duration. The fluence can be the pulse energy per effective area. The intensity can be the pulse power per effective area.
Die interferierenden Strahlen können die niedrigsten nicht-unterdrückten Beugungsordnungen sein. Die Beabstandung der Strahlen kann dadurch erreicht sein, dass sich die Strahlen in der Abbildungsoptik nicht überlappen.The interfering beams can be the lowest non-suppressed diffraction orders. The spacing of the beams can be achieved by the beams not overlapping in the imaging optics.
Das Werkstück kann in der Bildebene senkrecht zu den Linien beweglich angeordnet sein. Beispielsweise können großflächig Strukturen hergestellt werden. Die großflächigen Strukturen können durch liniengenaue Fortsetzung verschiedener Ablationspulse zusammengesetzt sein. Alternativ oder in Kombination können die großflächigen Strukturen durch auf der Oberfläche des Werkstücks im Wesentlichen statistisch verteilte Ablationspulse zusammengesetzt sein. In beiden Fällen können die Ablationspulse auf der Oberfläche des Werkstücks überlappen.The workpiece can be movably arranged in the image plane perpendicular to the lines. For example, structures can be produced over a large area. The large-area structures can be assembled by line-exact continuation of different ablation pulses. Alternatively or in combination, the large-area structures can be composed of ablation pulses that are essentially statistically distributed on the surface of the workpiece. In both cases, the ablation pulses can overlap on the surface of the workpiece.
Die Halterung kann dazu ausgebildet sein, das Werkstück parallel zur Bildebene, und beispielsweise senkrecht zu den abgebildeten äquidistanten Linien, mit einer stetigen Vorschubgeschwindigkeit zu verschieben. Beispielsweise können homogene großflächige Strukturen hergestellt werden. Die stetige Vorschubgeschwindigkeit kann im Wesentlichen und/oder zumindest zeitweise konstant sein.The holder can be designed to move the workpiece parallel to the image plane, and for example perpendicular to the imaged equidistant lines, with a constant feed rate. For example, homogeneous large-scale structures are produced. The continuous feed rate can be essentially and/or at least temporarily constant.
Eine Repetitionsrate r des gepulsten Lasers und die Vorschubgeschwindigkeit v der Halterung können synchronisiert sein. Beispielsweise kann, zumindest zeitweise, zwischen der Repetitionsrate rund der Vorschubgeschwindigkeit v der Zusammenhang v = r · b · n für ein ganzzahliges n bestehen. Darin kann b eine Periodizität der abgebildeten äquidistanten Linien sein.A repetition rate r of the pulsed laser and the feed rate v of the stage can be synchronized. For example, the relationship v =r·b · n for an integer n can exist, at least temporarily, between the repetition rate and the feed rate v . Therein b can be a periodicity of the imaged equidistant lines.
Die Repetitionsrate kann 10 Hz bis 5 kHz, z.B. 100 Hz bis 1 kHz betragen. Die Pulsdauer kann 10 ns bis 100 ns, beispielsweise 20 ns, betragen.The repetition rate can be 10 Hz to 5 kHz, for example 100 Hz to 1 kHz. The pulse duration can be 10 ns to 100 ns, for example 20 ns.
Die von aufeinanderfolgenden Pulsen erzeugte Linienstruktur kann überlappen. Ein Vorschub je Puls, b · n = v/r, kann kleiner als eine bildseitige Weite, Y, sein. Beispielsweise kann der Vorschub 0.9 · Ybis 1.0 · Ybetragen.The line structure generated by consecutive pulses can overlap. An advance per pulse, b x n = v / r, can be smaller than an image-side width, Y. For example, the feed can be 0.9 x Y to 1.0 x Y.
Alternativ oder ergänzend kann der Vorschub ein Bruchteil der bildseitigen Weite Y sein. Der Vorschub b · n kann Y/m für m = 2, 3, 4, ... betragen. So kann durch Mehrfachanwendung des ablativen Lichts eine gewünschte Ausdehnung der Linienstruktur im Werkstück, beispielsweise parallel zur optischen Achse, erreicht werden.Alternatively or additionally, the feed can be a fraction of the width Y on the image side. The feed b n can be Y / m for m =2, 3, 4,... A desired expansion of the line structure in the workpiece, for example parallel to the optical axis, can be achieved by multiple use of the ablative light.
Die Linienstruktur kann unter Einhaltung der bildseitigen Periodizität b bis zu einer gewünschten Ausdehnung fortgesetzt werden. Ferner kann die Linienstruktur durch mäanderförmiges Verfahren zu einer gewünschten Fläche fortgesetzt werden.The line structure can be continued up to a desired extent while maintaining the image-side periodicity b . Furthermore, the line structure can be continued to a desired surface by means of a meandering method.
Alternativ oder ergänzend kann hinter der Abbildungsoptik, oder als Teil der Abbildungsoptik, ein Scanner angeordnet sein. Der Scanner kann dazu ausgebildet sein, die abgebildeten äquidistanten Linien in einer oder zwei Dimensionen zu versetzen, beispielsweise zur vorgenannten Fortsetzung der periodischen Linienstruktur.Alternatively or additionally, a scanner can be arranged behind the imaging optics or as part of the imaging optics. The scanner can be designed to offset the imaged equidistant lines in one or two dimensions, for example for the aforementioned continuation of the periodic line structure.
Die Phasenmaske kann dazu ausgebildet sein, alle geradzahligen Beugungsordnungen, einschließlich der nullten Ordnung, zu unterdrücken.The phase mask can be designed to suppress all even-numbered diffraction orders, including the zeroth order.
Die nicht-unterdrückten Beugungsordnungen können symmetrisch zur optischen Achse verlaufen. Alternativ oder ergänzend kann die Abbildungsoptik symmetrisch zur optischen Achse angeordnet sein. Die Abbildungsoptik kann zu einer von der Phasenmaske (oder den äquidistanten Linien) und der optischen Achse definierten Ebene spiegel-symmetrisch sein.The non-suppressed diffraction orders can run symmetrically to the optical axis. Alternatively or additionally, the imaging optics can be arranged symmetrically to the optical axis. The imaging optics can be one of the phase mask (or the equidistant lines) and the plane defined by the optical axis must be mirror-symmetrical.
Die Abbildungsoptik kann zwei nicht-unterdrückte Beugungsordnungen erfassen, beispielsweise die beiden ersten Beugungsordnungen. Die unterdrückte Beugungsordnung kann die nullte Beugungsordnung sein. Die Phasenmaske kann in einer "+1/-1"-Konfiguration angeordnet sein (z.B. bezüglich des Lasers oder dessen Strahlengangs). Ferner kann die Phasenmaske eine zweite Beugungsordnung, z.B. jede geradzahligen Beugungsordnung, unterdrücken. Die "+1/-1"-Konfiguration kann eine übereinstimmende Leistung oder Intensität der beiden interferierenden Strahlen des achsfernen Lichts ermöglichen.The imaging optics can detect two non-suppressed orders of diffraction, for example the first two orders of diffraction. The suppressed diffraction order can be the zeroth diffraction order. The phase mask may be arranged in a "+1/-1" configuration (e.g. with respect to the laser or its optical path). Furthermore, the phase mask can suppress a second diffraction order, e.g., any even diffraction order. The "+1/-1" configuration may allow for matching power or intensity of the two interfering beams of off-axis light.
Alternativ kann die unterdrückte Beugungsordnung eine erste Beugungsordnung sein. Die Phasenmaske kann (z.B. bezüglich des Lasers oder dessen Strahlengangs) in einer "0/-1"-Konfiguration angeordnet sein. Die "0/-1"-Konfiguration kann eine besonders effiziente Unterdrückung des achsnahen Lichts ermöglichen.Alternatively, the suppressed diffraction order can be a first diffraction order. The phase mask may be arranged (e.g. with respect to the laser or its optical path) in a "0/-1" configuration. The "0/-1" configuration can enable particularly efficient suppression of the near-axis light.
In allen Konfigurationen kann eine dritte (oder höhere) Beugungsordnung von vernachlässigbar geringer Intensität sein, und/oder (beispielsweise durch eine laterale Ausdehnung der Abbildungsoptik) geometrisch ausgeschlossen (z.B. blockiert) sein.In all configurations, a third (or higher) diffraction order can be of negligible intensity and/or geometrically excluded (e.g. blocked) (e.g. by a lateral expansion of the imaging optics).
Die Abbildungsoptik kann in nur einer Dimension abbilden. Die Abbildungsoptik kann senkrecht zu den äquidistanten Linien abbilden.The imaging optics can only image in one dimension. The imaging optics can image perpendicularly to the equidistant lines.
Die äquidistanten Linien in der Gegenstandsebene und die abgebildeten äquidistanten Linien können eine im Wesentlichen gleiche Länge ausweisen. Die äquidistanten Linien in der Gegenstandsebene und/oder die abgebildeten äquidistanten Linien in der Bildebene können eine Länge von etwa 10 mm bis etwa 50 mm, beispielsweise 20 mm, aufweisen.The equidistant lines in the object plane and the imaged equidistant lines can have essentially the same length. The equidistant lines in the object plane and/or the imaged equidistant lines in the image plane can have a length of approximately 10 mm to approximately 50 mm, for example 20 mm.
Die Abbildungsoptik kann die Vielzahl äquidistanter Linien in die Bildebene abbilden. Die Abbildung kann verkleinern. Die Abbildungsoptik verkleinert (in der Bildebene) senkrecht zu den äquidistanten Linien. Ein Abstand der abgebildeten Linien kann kleiner sein als der Abstand der äquidistanten Linien in der Gegenstandsebene. Ein Abstand der abgebildeten Linien (d.h., deren Periodizität b) kann kleiner als ein Auflösungsvermögen des menschlichen Auges sein.The imaging optics can image the large number of equidistant lines in the image plane. The picture may shrink. The imaging optics reduce (in the image plane) perpendicularly to the equidistant lines. A distance between the imaged lines can be smaller than the distance between the equidistant lines in the object plane. A distance between the imaged lines (ie, their periodicity b ) can be smaller than the resolving power of the human eye.
Ein Faktor der Verkleinerung, Y/X= b/g, kann im Bereich 1/5 bis 1/100, beispielsweise bei 1/10 oder bei 1/80, betragen. Eine Periodizität g der äquidistanten Linien in der Gegenstandsebene kann 2 µm bis 200 µm, beispielsweise 25 µm, betragen. Die Periodizität der äquidistanten Linien in der Gegenstandsebene kann g = d oder g = d / 2 sein bei einer Periodizität d der Phasenmaske. Der Satz abgebildeter äquidistanter Linien kann eine bildseitige Weite Yin der Bildebene von 10 µm bis 1 mm, beispielsweise 100 µm, aufweisen.A factor of reduction, Y / X=b / g, can be in the range 1/5 to 1/100, for example at 1/10 or at 1/80. A periodicity g of the equidistant lines in the object plane can be 2 μm to 200 μm, for example 25 μm. The periodicity of the equidistant lines in the object plane can be g = d or g = d /2 with a periodicity d of the phase mask. The set of imaged equidistant lines can have an image-side width Yin of the image plane of 10 μm to 1 mm, for example 100 μm.
Die Periodizität d der Phasenmaske kann 5 µm bis 500 µm betragen, beispielsweise 50 µm. Die Periodizität b der abgebildeten äquidistanten Linien kann 0,5 µm bis 25 µm betragen, beispielsweise 2,5 µm oder 5 µm.The periodicity d of the phase mask can be 5 μm to 500 μm, for example 50 μm. The periodicity b of the imaged equidistant lines can be 0.5 μm to 25 μm, for example 2.5 μm or 5 μm.
Pro Puls können 10 bis 1000, beispielsweise 50, 80 bis 100, 200 oder 500 äquidistante Linien abgebildet werden.10 to 1000, for example 50, 80 to 100, 200 or 500 equidistant lines can be imaged per pulse.
Die gemäß den abgebildeten parallelen Linien hergestellte periodische Linienstruktur kann als ein Reliefgitter auf der Glasoberfläche diffusiv streuend und/oder diffraktiv reflektierend wirken, beispielsweise für sichtbares Licht.The periodic line structure produced according to the parallel lines shown can have a diffusively scattering and/or diffractively reflecting effect as a relief grating on the glass surface, for example for visible light.
Nur wenige äußere, von der optischen Achse beabstandete Zonen der Zylinderlinse können durch die nicht-unterdrückten Beugungsordnungen ausgeleuchtet werden und/oder zur Abbildung in der Bildebene beitragen.Only a few outer zones of the cylindrical lens that are at a distance from the optical axis can be illuminated by the non-suppressed diffraction orders and/or contribute to imaging in the image plane.
Ferner kann die Vorrichtung eine zwischen der Abbildungsoptik und der Bildebene angeordnete Amplitudenmaske aufweisen. Die Amplitudenmaske kann von der Bildebene beabstandet sein. Die Amplitudenmaske kann zusammen oder parallel mit dem Werkstück verschoben werden.Furthermore, the device can have an amplitude mask arranged between the imaging optics and the image plane. The amplitude mask can be spaced from the image plane. The amplitude mask can be moved together with or parallel to the workpiece.
Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung (siehe Anspruch 10) ist ein Verfahren zur ablativen Herstellung einer periodischen Linienstruktur auf oder in einem Werkstück bereitgestellt. Das Verfahren umfasst den Schritt des Erzeugens ablativen Lichts mittels eines gepulsten Lasers; den Schritt des Anordnens einer Phasenmaske im Strahlengang des ablativen Lichts zur Erzeugung einer Vielzahl äquidistanter Linien in einer Gegenstandsebene und zur Unterdrückung einer zur optischen Achse parallelen Beugungsordnung durch Interferenz, wobei die optische Achse senkrecht zur Gegenstandsebene ist; den Schritt des Abbildens der Gegenstandsebene in eine Bildebene mittels einer auf der optischen Achse angeordneten und parallel der Linien ausgerichteten Zylinderlinse; und den Schritt des Anordnens des Werkstücks in der Bildebene.According to a further aspect of the invention (see claim 10), a method for the ablative production of a periodic line structure on or in a workpiece is provided. The method includes the step of generating ablative light using a pulsed laser; the step of placing a phase mask in the optical path of the ablative light to produce a plurality of equidistant lines in an object plane and to suppress a diffraction order parallel to the optical axis by interference, the optical axis being perpendicular to the object plane; the step of mapping the object plane into an image plane using an on the optical Axis arranged and aligned parallel to the lines cylindrical lens; and the step of placing the workpiece in the image plane.
Weitere Merkmale der Technik sind nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, wobei:
- Fig. 1
- zeigt ein schematisches Blockdiagramm einer Vorrichtung zur Herstellung einer periodischen Linienstruktur an einem Werkstück;
- Fig. 2
- zeigt schematisch eine Verteilung der Leistung des von einer Phasenmaske ausgehenden Lichts hinsichtlich Winkel und Abstand zur optischen Achse;
- Fig. 3
- zeigt schematisch ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung der
Fig. 1 ; - Fig. 4
- zeigt eine erste Konfiguration einer Phasenmaske für die Vorrichtung der
Fign. 1 und3 oder die Verteilung derFig. 2 ; und - Fig. 5
- zeigt eine zweite Konfiguration einer Phasenmaske für die Vorrichtung der
Fign. 1 und3 oder die Verteilung derFig. 2 .
- 1
- shows a schematic block diagram of a device for producing a periodic line structure on a workpiece;
- 2
- shows schematically a distribution of the power of the light emanating from a phase mask in terms of angle and distance to the optical axis;
- 3
- shows schematically an embodiment of the device of FIG
1 ; - 4
- 12 shows a first configuration of a phase mask for the device of FIG
Figs. 1 and3 or the distribution of2 ; and - figure 5
- FIG. 12 shows a second configuration of a phase mask for the device of FIG
Figs. 1 and3 or the distribution of2 .
Durch Interferenz erzeugt die Phasenmaske 102 eine erste Linienstruktur in der Gegenstandsebene 103. Die Gegenstandsebene 103 steht senkrecht zur optischen Achse 101. Die Gegenstandsebene ist im Nahfeld der Phasenmaske 102 auf der vom Laser 109 abgewandten Seite der Phasenmaske 102.Through interference, the
Die Gegenstandsebene 103 kann eine Talbot-Länge oder eine halbe Talbot-Länge (oder ein ganzzahliges Vielfaches der halben oder der ganzen Talbot-Länge) von der Ebene der Phasenmaske beabstandet sein.The
Im Fernfeld der Phasenmaske 102 unterdrückt die Interferenz eine zur optischen Achse 101 parallele Beugungsordnung. Von der Phasenmaske 102 gehen (zumindest im Wesentlichen) zwei Strahlen 116 und 118 aus. Die Strahlen 116 und 118 verlaufen symmetrisch zur optischen Achse 101.In the far field of the
Die Abbildungsoptik 104 bildet mittels der positiven Brechkraft einer Zylinderlinse die Gegenstandsebene 103 in die Bildebene 107 ab. Optional umfasst die Abbildungsoptik 104 weitere optische Elemente, beispielsweise jeweils mit positiver Brechkraft. Durch ein Dublett mit zwei Zylinderlinsen können, bei gleicher kombinierter Brechkraft, Abbildungsfehler verringert sein im Vergleich zu einer einzelnen Zylinderlinse entsprechender Brechkraft. Das Dublett kann asymmetrisch sein. Die Zylinderlinsen können jeweils mit einer konvexen Seite zur Phasenmaske 102 ausgerichtet sein.The
Die Gegenstandsebene 103, die Abbildungsoptik 104 und die Bildebene 107 sind zueinander so angeordnet, dass die erste Linienstruktur zu einer verkleinerten zweiten Linienstruktur abgebildet wird. Die zweite Linienstruktur entsteht in der Gegenstandsebene 107 durch Interferenz der zwei Strahlen 116 und 118.The
Das ablative Licht kann monochromatisch sein. Das ablative Licht kann ultraviolettes Licht umfassen. Der gepulste Laser 109 kann ultraviolettes Licht erzeugen. Der gepulste Laser 109 kann ein Excimerlaser, beispielsweise ein Argon-Fluorid-Laser, sein. Eine Wellenlänge des Lichts kann im Bereich von 126 nm bis 351 nm sein. Die Wellenlänge des Lichts kann etwa 193 nm betragen.The ablative light can be monochromatic. The ablative light can include ultraviolet light. The
Die erste Linienstruktur und die zweite Linienstruktur enthalten jeweils äquidistante parallele Linien, d.h., Maxima der Intensität des Lichts. Die Linien sind senkrecht zum Zeichnungsblatt der
Die Abbildungsoptik 104 kann dazu ausgebildet sein, eine Kohärenz und/oder eine relative Phasenlage der zwei Strahlen 116 und 118 zu erhalten. Eine optische Weglänge der Abbildungsoptik 104 kann (beispielsweise aufgrund von unkorrigierten optischen Elementen, z.B. aufgrund der Zylinderlinse) vom Winkel θ der auf die Abbildungsoptik einfallenden Strahlen 116 und 118 abhängen.The
Die Phasenmaske 102 kann das ablative Licht (oder zumindest ein Großteil dessen) auf diskrete Winkel verteilen, z.B. auf zwei definierte Winkel entsprechend der zwei Strahlen 116 und 118. Die Abbildungsoptik 104 kann (z.B. aufgrund der Beleuchtung durch die Phasenmaske und/oder aufgrund von einer oder mehrerer Blenden) nur für die diskreten Winkel genutzt sein. Dadurch kann ein für Schärfe und/oder Kontrast nachteiliger Einfluss der Winkelabhängigkeit der optischen Weglänge vermieden werden. Eine Korrektur der Abbildungsoptik, z.B. hinsichtlich der Winkelabhängigkeit, kann unterbleiben.The
Die zwei Strahlen 116 und 118 können symmetrisch zur Symmetrieebene sein. Die zwei Winkel der Strahlen 116 und 118 können betragsgleich sein. Dadurch können die zwei Strahlen 116 und 118 dieselbe optische Weglänge zwischen Phasenmaske 102 und Werkstück 106 zurücklegen für eine kontrastreiche Interferenz.The two
Eine Beugungsordnung definiert einen scharfen Winkel θ>0 für die Leistung 202 des ersten Strahls 116. Eine andere Beugungsordnung definiert einen scharfen Winkel θ<0 für die Leistung 204 des ersten Strahls 118. In die Abbildungsoptik 104 gelangt (zumindest relativ zur Leistung des achsfernen Lichts 202 und 204) kein achsnahes Licht 206.One diffraction order defines a sharp angle θ>0 for the
Die Zylinderlinse kann (z.B. in der Symmetrieebene) einen kreisförmigem Querschnitt aufweisen. Die Zylinderlinse ist nicht notwendigerweise (z.B. bezüglich geometrischer Abbildungsfehler) korrigiert. Aufgrund der diskreten Winkelverteilung 200 kann auf einen korrigierenden Azylinder in der Abbildungsoptik 104 verzichtet werden. Zumindest in Ausführungsbeispielen kann eine optische Weglänge der Abbildungsoptik (zumindest im Wesentlichen) nur vom Winkel der auf die Abbildungsoptik einfallenden Strahlen relativ zur optischen Achse oder zur Symmetrieebene abhängen. Die optische Weglänge der Abbildungsoptik kann (zumindest im Wesentlichen) unabhängig vom Abstand s zur optischen Achse 101 sein. Dadurch kann Licht der Phasenmaske über eine Weite X abgebildet werden, die mit der optischen Achse 101 überlappt.The cylindrical lens can have a circular cross section (for example in the plane of symmetry). The cylindrical lens is not necessarily corrected (eg with regard to geometric aberrations). Due to the discrete
Alternativ oder ergänzend kann die Weite X klein sein, beispielsweise kann die Weite X klein sein im Verhältnis zur Gegenstandsweite G. Alternativ oder ergänzend können die Strahlen 116 und 118 in der Abbildungsoptik 104 nicht überlappen, so dass die Weite X klein ist im Verhältnis zum Abstand s zur Symmetrieebene, wie schematisch für die Leistungsverteilung 200 gezeigt. Dadurch kann die Anforderung an die Abbildungsoptik 104 weiter reduziert werden. Beispielsweise können leichtere oder kostengünstigere Zylinderlinsen in der Abbildungsoptik 104 verwendet werden.Alternatively or additionally, the width X can be small, for example the width X can be small in relation to the object distance G. Alternatively or additionally, the
Im in
Die
Im in
Bei geringer Divergenz der Strahlen 116 und 118 kann die Weite X beim Bezugszeichen 114-2 größer als die beleuchtete Weite X beim Bezugszeichen 114-1 sein. Beispielsweise kann in der Abbildungsebene 105 (oder unmittelbar vor der Abbildungsoptik 104) die Weite X maximal 10% größer sein als die Weite X in der Gegenstandsebene 103 (oder unmittelbar hinter der Phasenmaske 102).With slight divergence of
Die Strahlen 116 und 118 schließen mit der optischen Achse 101 eingangsseitig der Abbildungsoptik 104 (zumindest näherungsweise) einen definierten Winkel +θ bzw. - θ ein. Die Abbildung der Strahlen 116 und 118 mittels der Abbildungsoptik 104 nutz nur einen (zumindest näherungsweise) diskreten Winkelbereich. Zudem sind bei zur optischen Achse 101 symmetrischen Verlauf der Strahlen 116 und 118 und zur optischen Achse 101 symmetrischen Anordnung der Abbildungsoptik 104 die abgebildeten Winkel (zumindest näherungsweise) betragsgleich.The
Eine Abbildung mit nur einem einzigen Winkelbetrag kann die Interferenz der abgebildeten Strahlen verbessern und/oder Anforderungen an die Abbildungsoptik 104 reduzieren. Beispielsweise kann eine besonders scharfe und/oder kontrastreiche Linienstruktur 113 ermöglicht sein, obwohl bei einer einfachen Zylinderlinse eine Verzerrung einer Wellenfront der Strahlen 116 und 118 zu erwarten wäre.Imaging with only a single angular magnitude may improve interference of the imaged rays and/or reduce
Die Linienstruktur 113 kann in der Bildebene 107 quer zu den äquidistanten Linien ein Rechteckprofil aufweisen. Eine hohe Schärfe der Abbildung kann steilen Flanken des Rechteckprofils entsprechen. Alternativ kann die Linienstruktur 113 eine sinusförmige Intensitätsverteilung in der Bildebene 107 quer zu den äquidistanten Linien aufweisen.The
Bei hohem Kontrast können Intensitätsminima der Linienstruktur 113 im Wesentlichen strahlungsfrei sein, so dass in den Tälern der Intensitätsverteilung das Werkstück 108 unbearbeitet bleibt.In the case of high contrast, intensity minima of the
Die
Die Zylinderlinse 104 ermöglicht eine ausgedehnte Bearbeitung des Werkstücks 108 in der Längsrichtung. Ein Bearbeitungsbereich wird ferner durch Verschiebung des Werkstücks mittels der Halterung 106 erweitert. Die Halterung 106 verschiebt das Werkstück 108 kontinuierlich in der Bildebene 107 bei ununterbrochenem Pulsbetrieb des Lasers 109. Alternativ oder ergänzend dreht die Halterung das Werkstück, beispielsweise um eine gekrümmte Oberfläche zu bearbeiten. Die Drehung erfolgt um den instantanen Normalenschnittpunkt des aktuellen Bearbeitungsbereichs.The
Beispielsweise wird das Werkstück in die Querrichtung kontinuierlich verschoben, so dass bei jedem Puls des Lasers 109 in einem Überlappungsbereich der Bearbeitung mit einem durch den vorhergehenden Puls bearbeiteten Bereich die abgebildeten parallelen Linien deckungsgleich sind. Da das Produkt aus Pulsdauer und Verschiebungsgeschwindigkeit klein ist im Vergleich zur Breite der abgebildeten Linien können zeitaufwendige Anfahr- und Abbremsvorgänge vermieden werden.For example, the workpiece is continuously shifted in the transverse direction, so that with each pulse of the
Durch Verwendung der Phasenmaske 104 kann eine Fluenz des Lasers 109 nahezu vollständig zur Bearbeitung des Werkstücks 108 genutzt werden.By using the
Das Werkstück 108 kann Glas umfassen. Die Technik kann zur Kennzeichnung oder Oberflächenbearbeitung von Kochfeldern mit Glaskeramik, Brillengläsern oder Primärverpackungen eingesetzt werden.
In jedem der Ausführungsbeispiele kann eine Amplitudenmaske zwischen Werkstück 108 und Abbildungsoptik 104, z.B. in der Bildebene 107, angeordnet sein. Die Amplitudenmaske kann eine aus der Linienstruktur zusammengesetzte Darstellung ermöglichen. Die Darstellung kann eine Grafik, einen Schriftzug, ein Piktogramm oder einen maschinenlesbaren Code umfassen. Der maschinenlesbare Code kann eindimensional strukturiert sein (z.B. als Strichcode) oder kann zweidimensional strukturiert sein (z.B. als QR-Code).In each of the exemplary embodiments, an amplitude mask can be arranged between the
Claims (10)
- Apparatus (100) for ablatively producing a periodic line structure on a workpiece (108), comprising:a pulsed laser (109) configured to generate ablative light (110);a phase mask (102) disposed in the beam path of the ablative light (110) and configured to generate by interference a plurality of equidistant parallel lines (112) in an object plane (103) and to suppress a diffraction order parallel to the optical axis (101), the optical axis (101) being perpendicular to the object plane (103);characterised by the following features:an imaging optic (104) disposed on the optical axis (101) and having a cylindrical lens aligned parallel to the lines (112) and configured to image the object plane (103) into an image plane (107), the imaging optic (104) reducing perpendicular to the equidistant parallel lines (112); anda support (106) configured to position the workpiece (108) in the image plane (107).
- Apparatus according to claim 1, wherein the unsuppressed diffraction orders (116, 118) include discrete angles with the optical axis (101) and the cylindrical lens has no acylindrical correction.
- Apparatus according to claim 1 or 2, wherein the unsuppressed diffraction orders (116, 118) and the imaging optic (104) are symmetrical about the optical axis (101).
- Apparatus according to any one of claims 1 to 3, wherein the phase mask is configured to generate the plurality of equidistant parallel lines (112) in the object plane (103) over a first width (114-1), and wherein the imaging optic (104) is arranged on the optical axis (101) such that unsuppressed diffraction orders (116, 118) in the imaging optic (104) are spaced from the optical axis (101) over a second width (114-2) corresponding to the first width (114-1).
- Apparatus according to any one of claims 1 to 4, wherein the workpiece is movably arranged in the image plane (107) perpendicular to the lines (112, 113).
- Apparatus according to any one of claims 1 to 5, wherein the support (106) is configured to displace the workpiece (108) parallel to the image plane (107) and perpendicular to the imaged equidistant lines (113) at a steady feed rate.
- Apparatus according to claim 6 or 7, wherein a feed between two successive pulses is an integer fraction of an image side width (115).
- Apparatus according to any one of claims 1 to 8, further comprising:
an amplitude mask arranged between the imaging optic (104) and the image plane (107). - Method of ablatively producing a periodic line structure on a workpiece (108), comprising:generating ablative light (110) by means of a pulsed laser (109);disposing a phase mask (102) in the beam path of the ablative light (110) for generating a plurality of equidistant parallel lines (112) in an object plane (103) and for suppressing a diffraction order parallel to the optical axis (101) by interference, wherein the optical axis (101) is perpendicular to the object plane (103);imaging the object plane (103) into an image plane (107) by means of a cylindrical lens arranged on the optical axis (101) and aligned parallel to the lines (112); andposition the workpiece (108) in the image plane (107).
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